表面张力及其实验探讨

1、液体表面张力及实验探讨摘要：日常生活中人们对表面张力的概念很少提及，但有关表面张力的现象却是很常见的。 本文在研读文献的基础上，从分子力的角度对表面张力的概念进行了阐释，然后分析了影响 表面张力大小的因素。在一些现象中人们通常会将表面张力与浮力相混淆，本文设计了三个 简便易行的实验，通过实验现象的观察及分析，说明表面张力和浮力的不同作用。最后，由 于表面张力在人体的呼吸过程中起着重要作用，本文在研读文献的基础上给与归纳、描述， 并且从表面张力的角度分析了人体在高烧的时候，呼吸加快的原因。本文意在通过简洁的论 述和图示，让人们了解表面张力及其在生活中的应用。关键词：表面张力；浮力；呼吸过程一、问

2、题的提出日常生活中人们对表面张力的概念很少提及，但有关表面张力的现象却是很常见的。 如：日常生活中人们见到的液滴往往呈球形，是液滴表面张力作用的结果。下雨天人们使用 的雨伞是布面的，有微小的缝隙却不漏雨，是雨水表面张力作用的结果。在人体每时每刻的 呼吸中，表面张力同样起着非常重要的作用：表面张力使大小不同的肺泡保持一定的形状， 不会使大肺泡因扩大而爆裂，也不会使小肺泡因缩小而萎陷；表面张力的这种变化是肺泡表 面活性物质所起到的调节作用。用纯水很难吹出泡泡，然而往水中加入一些表面活性物质， 就可以很容易的吹出又大又圆的泡泡了。同样，往洗涤剂中加入表面活性物质，不仅可以使 洗涤剂更好的溶于水，还可

3、以增强衣物的浸湿效果，更有效的去除污迹。可以说表面张力与 人们的日常生活形影不离，要很好的利用表面张力，就要了解表面张力的含义。二、表面张力的概念（一）相关概念1 .分子力物质是由分子构成的，分子间的相互作用，叫做分子力。如图1）所示，当分子之间 的距离等于10-1皿时，分子间的引力等于斥力，对外不显示力的作用，因此10-iom叫做分子 的平衡距离，用r0表示。当分子间的距离小于平衡距离时，分子力表现为斥力；当分子间 的距离大于平衡距离时，分子力表现为引力。当分子间的距离大于10刨时，引力和斥力消 失，分子力为零。所以，分子间的作用力属于短程力。2.分子作用半径分子力的有效作用范围，叫做分子作

4、用半径， 数值等于10-9m，以此值为半径所做的球，称为分子 作用球。3 .液体的表面层和附着层图（1）分子力图（2）液由于液体具有流动性而往往盛于容器中，这样 液体就会与固体和上面的气体相接触，在气-液表 面取厚度等于分子作用半径（10-9m）的液体薄层， 叫做液体的表面层，如图（2图（1）分子力图（2）液（二）液体的表面张力对表面张力的两种解释董品泸主编的物理学中（以下简称“物理学1”）， TOC o 1-5 h z 对表面张力的解释为:表面层的液体分子一方面受液体内部分F/ N子的作用，另一方面受液面上方气体分子的微弱作用，这两种1特殊作用的结果，使表面层中液体分子的分布比液体内部稀疏。

5、由于表面层中液体分子间的距离大于平衡距离，分子间表/ 2现为引力，即液体的表面张力。如图（3），MN为液体表面的 M分界线，分界线左边的分子对分界线右边的分子产生的引力为图（3）F，右边分子对左边分子的引力为F2，F与F2大小相等，方 向相反，与液面相切。1王鸿儒主编的物理学中（以下简称“物理学2”），对表面张力的解释为：如图（4），M1为液体表面分子，M2为液体内部分子，以分子作用半 径为半径，以M、M2为球心分别做球。在液体内部，由 于分子分布均匀，M2受到来自各个方向的分子力大小相 等，因此其合力为零。以M1为球心的分子作用球，一部 分在液体内部，另一部分在气体中，M1受到的来自液体图（

6、4）1董品泸，物理学，四川科学技术出版社，1992年内部分子的作用力大于气体分子的作用力，其合力向下，使液面处于一种特殊的紧张状态， 宏观上表现为表面张力。图（4）对两种解释方式的分析、比较。从图（3）来看，表面张力作用在液体表面，而从图（4）来看，好像表面张力垂直于液体表面，二者是否矛三运昇罢E三口 口 O IP- 盾呢？图（5）在常温、常压下，空气的密度是1.293kg/m图（5）FF分子量是29；水的密度是103kg/m3，其分子量是18；相 同环境、相同体积时，水的摩尔数与空气的摩尔数之比为：（103 / 18）/（1.293 7 29）1246倍，即体积相同时，水的分子FF数约是空气

7、分子数的1246倍。如图（5），表面层中的液体分 二匚匚二7二匚子M1，受水面上方较少空气分子的作用，受水面以下较多的普F2液体分子的作用，将所受力进行合成，则M1在竖直方向和水图（6）平方向的合力分别如图（6）所示，F2F使液面处于紧绷状态，与“物理学2”解释一致；F3 = F4，即M1受到来自左边的分子力等于右边的分子力， 与“物理学1”的解释一致。由此可知，以上两种关于表面张力的阐述并不矛盾，“物理 学1”中对表面张力的解释是“物理学2”的简化版。在表面张力的作用下，液体表面总是收缩到最小面积，体积相同的各种形状中，球形 的面积最小，所以液体表面一般呈球形。表面张力不仅存在于气-液表面，

8、在两种不相溶的液-液界面，同样存在表面张力的作用， 其产生机理与气-液界面相似。三、影响表面张力系数大小的因素表面张力的大小F=aL, L为分界线的长度，a为表面张力系数，数值上等于单位 面积上表面张力的大小。表面张力的大小主要决定于表面张力系数，而表面张力系数决 定于液体的性质、液体的温度、溶质的性质和浓度。（一）液体性质的影响对于气-液表面，表面张力是气体分子和液体内部分子共同作用的结果，在自然条 件下液体的表面张力主要决定于液体的性质，当液体分子间的作用力远远大于气体分子 之间的作用力时，表面层的液体分子所受的合力越大，即表面张力越大。而分子力越大的液体，其密度也越大。由表（1）所给的数

9、据可以看出，密度越大的液体，其表面张力系数越大，表面张 力就越大。由表（1）还可以看出，酒精和乙醚是两种挥发性很强的液体，其密度比较 小，表面张力系数也比较小，可见越容易挥发的液体，表面张力越小。表（1）表面张力系数与密度物质温度（0C）密度（kg/m3）表面张力系数（N/m）水银2013.6X10354X10-2水200.9998X1037.275X10-2水400.9922X1036.956X10-2水600.98323X 1036.618X10-2酒精200.8X1032.2X10-2乙醚200.71X1031.7X10-2对于液-液界面，表面张力是由两种液体分子共同作用的结果，因此表面

10、张力决定 于相接触地两种液体的性质。如：表（2）中的数据表明，当两种液体的密度相差越大 时，其界面的表面张力系数也越大。所以，液体的表面张力与液体的密度相关。表（2）液-液表面张力系数（室温下）物质表面张力系数（N/m）物质表面张力系数（N/m）水银-水42. 7X10-2水-汽油3.36X10-2水银-乙醇39. 9X10-2水-乙醚1. 22X10-2（二）液体温度的影响表（1）中的测量数据显示，当水的温度升高时，其表面张力呈下降的趋势。其原 因可解释为：当水的温度大于40C时，随着温度的升高，水的体积膨胀，对于一定质量 的水，体积V增大时，密度P减少（P=m/v），水分子之间的距离增大，

11、分子力减弱， 则水的表面张力减小。根据Harkins给出的水的表面张力系数与温度的关系式：a=7.5796 0.145T 一 0.00024T2, 7.5796为00C时水的表面张力系数，此式的适用范围是100C60oC,T的单 位为摄氏度。根据此式可以计算出200C、400C时，水的表面张力系数分别是7.28X10-2 N/m、6.96X10-2 N/m，与表（1）的测量值相近。可见，水的表面张力随温度的升高而下降。不仅水的表面张力如此，其他液体的表面张力也有相同的规律。如酒精在10。项 200C、300C 时，表面张力分别为 2.52X10-2 N/m、2.27X10-2 N/m、2.15

12、X10-2 N/m。（三）溶质性质和浓度的影响1.溶质性质的影响往溶剂中加入溶质配制成溶液时，容剂的表面张力系数将发生变化。例如：往水中 加入肥皂液，水的表面张力系数减小；往水中加入蔗糖，水的表面张力系数增加。容剂的表面张力系数设为气,溶质的表面张力系数设为七，当七、时，溶液的 表面张力系数增加；当七气时，溶液的表面张力系数减小。能使容剂的表面张力系数增加的物质，称为非表面活性物质，如食盐、蔗糖、淀粉 等；能使容剂的表面张力系数减小的物质，称为表面活性物质，如肥皂、酒精、蛋黄素 等。2.溶质浓度的影响以水溶液为例，当往水中加入非表面活性物 质时，溶液的浓度增加，表面张力系数也随之稍 有增加。当

13、往水中加入表面活性物质时，可出现 两种类型：如图（7）所示，第一种类型，当溶液 的浓度增加时，表面张力系数减小，如醇、醛、 酸、酯、胺及其衍生物等水溶液；第二种类型， 在低浓度时，随着溶液浓度的增加，表面张力系 数急剧下降，当溶液的浓度继续增加时，表面张 力系数基本不再变化，如高直碳链的有机酸和烷 基磺酸盐等水溶液。日常生活中，人们常用的洗衣粉里添加了表面活性剂，目的是降低水的表面张力， 增加衣物的浸湿效果，有效去除污迹。而洗衣粉中的表面活性剂（烷基苯磺酸钠漏于 第二种类型。人们往往认为洗衣服时，洗衣粉放的越多，洗的越干净，其实这是一种错 误的做法，因为溶液的表面张力不会随浓度的增加一直下降。

14、实践证明溶液的浓度在 0.2%0.5%时，去污效果是最好的。四、表面张力的实验探讨表面张力和浮力有由一个共同的特点，就是都可以使轻小的物体浮于液体表面，致使人 们对一些现象的解释出现错误。如：一分硬币浮于水面，有人认为是浮力的作用，而实际是 表面张力在起主要作用。由于表面张力容易和浮力相混淆，为此，本文设计了以下三个实验， 在实验观察与分析的过程中可以体会表面张力和浮力的不同作用。(一)实验现象及分析实验一，如图(8)所示油滴操作过程：将水倒入玻璃杯中，从玻璃杯上方5厘米处， 一用滴管向水中滴一滴食用油。实验观察：油滴进入水中时即刻呈球形，并向下运动且 水速度减慢，当速度减为零时，又开始向上浮

15、动，当油滴浮出水 图(8) 面时，球形油滴逐渐变成圆形油膜吸附在水面上。现象分析：当油滴进入水中时，形成油-水表面层，表面层液体分子之间的引力即表面 张力，促使液体表面收缩到最小面积，使油滴成球形。可见，油滴进入水中呈球形，是由于 表面张力的作用。由于受重力作用，油滴从滴管口滴 出时作向下的加速运动；进入水面后， 因为油的密度小于水的密度，油滴所受 浮力大于重力，其合力向上，所以油滴 在水中做向下的减速运动，速度变为零 后则开始向上浮动。当油滴浮出水面时，油滴不仅与水接触，还与空气接触，在水面上形成了油-水、油- 空气、水-空气三个表面层，此时三个表面张力共同作用于油滴，如图(9)，孔表示水与

16、空 气接触面的表面张力，F2表示油与空气接触面的表面张力，F3表示水与油接触面的表面张力。水的密度为1.0X103kg/m3，油的密度为0.9Q 93X 103kg/m3，空气的密度为1.29kg/m3；液 体的密度越大，分子间的相互作用力也越大，因此，水的分子力大于油的分子力，油的分子 力又大于空气的分子力；而表面张力的大小由相互接触的两种流体的分子力的合力决定，由 此可以判断出表面张力F F F，当F大于F与F的合力时，油滴便由球形逐渐被拉伸成123123椭球形，最终变成圆形油膜吸附在水面上。水滴图(10)实验二，如图(10)所示。水滴图(10)操作过程：将食用油倒入玻璃杯中，用滴管向油中

17、滴 一滴水。实验观察：水滴进入油中呈球形，缓慢的在水中下降， 一段时间后沉在杯底，形状变得扁平。图打现象分析：由于水-油表面层的表面张力作用， 水滴进入油中成球形；又因为水的密度大于油的密度， 所以水滴受到的浮力小于重力，其合力向下，在合力 的作用下水滴缓慢下沉；当沉于杯底时，所受浮力消 失；由于水与玻璃杯是浸润的，玻璃对水的附着力大 于水的内聚力，这两个力与水-油界面表面张力的共同作用，使水滴最终变成扁平状附着在 杯底，如图(11)所示,F 1表示附着力，F2表示内聚力，F3、F4表示水-油界面的表面张力。图打由于水滴的重力与所受的支持力合力为零，因此在图中没有画出。实验三，如图(12)所示

18、。油滴W油滴W wI白酒图(12)实验观察：油滴进入酒中成球形，有的靠近液面，有 的悬浮在液体中间。现象分析：由于油酒表面层的表面张力作用，油滴进 入酒中成球形；球形油滴可以悬浮在酒中，可以判断油的密度与白酒的密度相等，所以油滴 受到的浮力等于重力。(二)实验结论由实验一可以看到，油漂浮于水面主要是浮力的作用，表面张力的作用是使油滴进入水 中呈球形，浮于水面时呈圆形油膜。由实验三可以看到，油滴悬浮于白酒中时，既受到浮力 作用，使油滴保持悬浮状态，又受到表面张力的作用，使油滴保持球形。实验二中，水滴所 受的浮力小于重力，水滴下沉，表面张力的作用是保持水滴的形状。由此可以推断，当物体浮于水面时，可

19、能会同时受表面张力和浮力的作用，如果物体的 密度大于水的密度，表面张力起主要作用，如钢针浮于水面；如果物体的密度小于水的密度， 则浮力起主要作用，如油滴浮于水面。五、表面张力在呼吸过程中的作用作为空气通道的气管，向下分为左右两个支气管，在支气管的末端与半球形的气室相连， 即肺泡。在肺泡内壁有一层很薄的液体分子，与肺泡内的气体形成液-气界面，即液体表面 层，表面层中的表面张力有促使液体表面收缩到最小面积的趋势，即球形，这也正是肺泡呈 球形的原因吧。由于表面张力的收缩作用，使其在吸气过程中（肺泡扩张）起阻力作用，在呼气过程中 （肺泡缩小）起动力作用。表面张力约占到肺的弹性回缩力的三分之二，因此表面

20、张力在呼 吸过程中起着重要的作用。肺泡的表面张力不是恒定不变的，而是随着呼吸过程不断的变化着。吸气时肺泡膨胀， 表面张力逐渐变大，增加了肺泡膨胀的阻力，使肺泡不会变得很大以至破裂；呼气时表面张 力逐渐变小，使肺泡不会萎缩以至消失。表面张力的改变是靠什么来调节的呢？肺泡表面能分泌表面活性剂，由多种胆固醇、磷脂和蛋白质等组成。成年人的肺泡大约 有3-4亿个，而且肺泡的大小不同，但表面活性剂在不同肺泡上分布的量是一定的。吸气时 肺泡膨胀变大，由于肺泡表面层的面积增加，而使表面活性剂的浓度变小，表面张力增大； 呼气时肺泡缩小，肺泡表面层的面积减小，使表面活性剂的浓度变大，从而表面张力变小。肺泡表面活性剂具有保持大小肺泡平衡的作用。如图（10），人体的大小肺泡是相通的，由表面张力而